nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hoá khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

2
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
BỘ CÔNG THƯƠNG
Tổng công ty máy Động lực và máy Nông nghiệp
VIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY NÔNG NGHIỆP




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2012


ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo
thiết bị hóa khí liên tục từ phụ phế phẩm nông nghiệp.”

Mã Số: 38.12.RD/HĐ-KHCN



ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
VIỆN NC TK CT MÁY NÔNG NGHIỆP



Nguyễn Quốc Vũ

Hà nội, tháng 1 năm 2013
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

3
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH


TT Họ và Tên
Học hàm học vị
chuyên môn
Chức vụ Cơ quan
1 Nguyễn Quốc Vũ Kỹ sư Trưởng phòng
nghiên cứu 2
Viện
NCTKCT
máy NN
2 Nguyễn Đình Tùng Tiến sĩ Viện Trưởng Viện
NCTKCT
máy NN
3 Nguyễn Thị Bích Thuận Thạc sĩ Viện
NCTKCT
máy NN
4 Phạm Mạnh Tình Trung cấp Viện
NCTKCT
máy NN
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

4
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
MỤC LỤC BÁO CÁO

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÓA KHÍ GA LIÊN
TỤC TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP …………………………………………5
1.1 Quá trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass) 6
1.2 Những ưu điểm của việc sử dụng công nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 10
1.3 Những tính chất của nhiên liệu sinh khối ảnh hưởng đến quá trình, thiết bị hóa khí
ga. …………………………………………………………………………………….11
1.4 Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối 13
2 THIẾT KẾ, CH
Ế TẠO THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT
10.000 KCAL/H 17
2.1 Lựa chọn kiểu thiết bị hóa khí ga từ phụ phế phẩm nông nghiệp phù hợp với khả
năng ứng dụng trong nước 17
2.2 Thiết kế thiết bị hóa khí liên tục 22
2.3 Chế tạo thiết bị hóa khí liên tục 26
3 THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT
10.000 KCAL/H 28
3.1 Mục tiêu và phương pháp khảo nghiệm 29
3.2 Kế
t quả khảo nghiệm 29
4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

5

Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÓA KHÍ GA LIÊN TỤC
TỪ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP
Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối, nhiên liệu có nguồn gốc
sinh học như gỗ, than củi, phụ phế phẩm nông lâm nghiệp, đã được đưa vào ứng dụng từ
thế kỷ XIX ở Châu Âu và được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới thứ II, thời
điểm mà nhu cầu năng lượng tăng cao trong khi khả năng khai thác nguồn nhiên liệu hóa
thạch không đủ đáp ứng. Các thiế
t bị hóa khí ga tại thời điểm này chủ yếu sử dụng than
củi hoặc gỗ. Tuy vậy, sau chiến tranh giá dầu mỏ giảm xuống, việc nghiên cứu, khai thác
năng lượng từ việc hóa khí ga từ vật liệu sinh khối có thể coi như dừng lại ngoại trừ tại
một số ít quốc gia như Thụy Điển.
Việc nghiên cứu sử dụng nguồn năng l
ượng này được quan tâm trở lại sau cuộc
khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970-1980. Đi đầu trong lĩnh vực này là các nước
phát triển như Thụy Điển, Áo, Đức Năng lượng từ hóa khí ga được sử dụng thay thế
nguồn nhiên liệu hóa thạch (khí đốt, dầu mỏ, than đá) để cung cấp nhiệt cho các hệ thống
sưởi ấm, hệ thống chế biến có sử dụ
ng nhiệt, sử dụng để chạy động cơ, máy phát điện.
Việc nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ hóa khí ga này cũng được những nước
phát triển khác như Brazin, Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Philipin, Thái Lan quan tâm.
Sự ấm lên toàn cầu (Global warming) cùng với sự gia tăng phát thải khí CO
2
thúc
đẩy toàn thế giới tìm đến nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng
từ sức gió, năng lượng sinh khối để sử dụng thay thế năng lượng hóa thạch. Cũng vì
vậy mà việc nghiên cứu sử dụng năng lượng thông qua hóa khí ga từ vật liệu sinh khối,
phụ phế phẩm từ nông nghiệp càng được đẩy mạnh và có những bướ

c tiến đáng kể từ
những năm 2000 trở lại đây.
Việt Nam là một nước có tiềm năng phát triển nông nghiệp. Việc tận thu nguồn
năng lượng từ phụ phế phẩm nông nghiệp thông qua quá trình hóa khí ga để phục vụ quá
trình sơ chế, chế biến các sản phẩm nông lâm nghiệp cũng như phục vụ nhu cầu năng
lượng hàng ngày là vấn đề cần thiết, đ
áng quan tâm.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

6
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
1.1 Quá trình hóa khí từ nhiên liệu sinh khối (biomass)
Quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối là quá trình mà trong đó nhiên liệu
sinh khối ở thể rắn bị phá vỡ bởi nhiệt trong điều kiện thiếu khí ôxy để tạo ra nhiên liệu ở
thể khí (khí ga). Nhiệt sử dụng trong quá trình hóa khí này được lấy chính từ việc đốt
cháy một phần nhiên liệu sinh khối.
Nhiên liệu sinh khối ở thể rắn bao gồm một phần lớn hợp chất hữu cơ, nước, và
một số ít các chất vô cơ được biết đến như hàm lượng tro. Phần hợp chất hữu cơ chủ yếu
bao gồm các-bon, hydro, oxy và một số ít nitơ, lưu huỳnh (bảng 1)

C
(%)
H
(%)
N
(%)
S
(%)
O

(%)
Tro
(%)
HHV
(kJ/kg)
Nguồn
Gỗ thích 50.6 6.0 0.3 0 41.7 1.4 19,958 Tillman, 1978
Gỗ cây lá kim 52.3 6.3 9.1 0 40.5 0.8 21,051 Tillman, 1978
Vỏ cây lá kim 56.2 5.9 0 0 36.7 1.2 22,098 Tillman, 1978
Gỗ màu đỏ 53.5 5.9 0.1 0 40.3 0.2 21,028 Tillman, 1978
Phụ phẩm cây gỗ
đỏ
53.4 6.0 0.1 39.9 0.1 0.6 21,314
Boley and
Landers, 1969
Bùn chất thải 29.2 3.8 4.1 0.7 19.9 42.1 16,000
Rơm cây lúa 39.2 5.1 0.6 0.1 35.8 19.2 15,213 Tillman, 1978
Vỏ trấu 38.5 5.7 0.5 0 39.8 15.5 15,376 Tillman, 1978
Mùn cưa 47.2 6.5 0 0 45.4 1.0 20,502 Wen et al., 1974
Giấy 43.4 5.8 0.3 0.2 44.3 6.0 17,613 Bowerman, 1969
Phân động vật 42.7 5.5 2.4 0.3 31.3 17.8 17,167 Tillman, 1978
Hạt cây 54.5 5.1 1.65 0.45 33.09 5.2 21,230


Trong điều kiện phù hợp về nhiệt độ, áp suất, khí oxy/ không khí, xuất hiện quá
trình biến đổi nhiệt-hóa học nhiên liệu sinh khối (bảng 2). Quá trình biến đổi nhiệt-hóa
học này có thể được phân làm 3 loại:
- Quá trình đốt cháy/ oxy hóa hoàn toàn;
- Quá trình nhiệt phân;
Bảng 1: Thành phần của một số vật liệu sinh khối [3]

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

7
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
- Quá trình hóa khí ga.
Quá trình đốt cháy hoàn toàn được xảy ra khi nhiên liệu sinh khối được cung cấp
đầy đủ ôxy/không khí. Sản phẩm của quá trình này là khí cácbônic (CO
2
) và nước đồng
thời với một lượng nhiệt lớn thoát ra. Phương trình phản ứng nhiệt-hóa học của quá trình
này như sau:
C + O
2
Ù CO
2
(- 401,9 kJ/mol) (1-1)
H + ½ O
2
Ù H
2
O (- 241,1 kJ/mol) (1-2)
Như vậy, quá trình đốt cháy/ oxy hóa hoàn toàn là quá trình sinh nhiệt. Trong quá
trình này mỗi mol (12 gram) C oxy hóa hoàn toàn tỏa ra 401,9 kJ và 1 mol (2,016 gram)
H sau khi oxy hóa hoàn toàn giải phóng 241,4 kJ. [1]
Quá trình Nhiệt độ(°C)
Áp suất
(MPa)
Sấy khô
Nhiệt phân 380–530 0.1–0.5 Cần thiết

Cháy hoàn toàn 700–1400 >0.1
Không cần thiết, nhưng giúp
sự cháy tốt hơn
Hóa khí ga 500–1300 >0.1 Cần thiết
Nguồn: Demirbas, 2009.



Trái ngược với quá trình đốt cháy hoàn toàn ở trên, quá trình nhiệt phân xảy ra
trong điều kiện vắng mặt khí oxy. Đây là quá trình nhiệt phân rã nhiên liệu sinh khối tạo
ra các thành phần khí, thành phần ở thể lỏng và thể rắn. Trong điều kiện nhiệt độ, áp suất
và thời gian khác nhau, quá trình nhiệt phân có thể ở 3 mức độ:
- Nhiệt phân một phần ( torrefaction);
- Nhiệt phân chậm;
- Nhiệt phân nhanh.
Trong quá trình nhiệt phân các phân tử
hydrocacbon lớn của nhiên liệu sinh khối
bị phá vỡ thành các phân tử hydrocacbon nhỏ hơn. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân
nhanh là nhiên liệu sinh học ở dạng lỏng (bio-oil). Quá trình nhiệt phân chậm cho ra một
Bảng 2: Bảng so sánh điều kiện xảy ra các quá trình nhiệt-hóa học [3]
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

8
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
số khí cùng sản phẩm than củi. Quá trình nhiệt phân một phần xảy ra khi nung nhiên liệu
sinh khối ở nhiệt độ 200
0
C - 300
0

C. Quá trình này làm biến đổi cấu trúc, gia tăng nhiệt
trị của nhiên liệu sinh khối, giúp cho nhiên liệu sinh khối trở nên nhẹ hơn, thuận tiện cho
việc vận chuyển. Quá trình nhiệt phân là quá trình thu năng lượng.
Trong điều kiện lượng oxy cấp cho quá trình phản ứng nhiệt-hóa học không đủ,
xảy ra quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối. Sản phẩm của quá trình này là nhiên
liệu ở thể khí chủ yếu gồm khí hydro (H
2
) và carbon monoxide (CO). Quá trình hóa khí
này diễn ra một cách phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ, chất xúc
tác ), phương trình phản ứng nhiệt-hóa học của quá trình này như sau [1]:
a) C + CO
2
Ù 2CO
(+164,9 kJ/mol) (1-3)
b) C + H
2
O

Ù CO + H
2

(+122,6 kJ/mol) (1-4)
c) CO
2
+ H
2
Ù CO + H
2
O
(+42,3 kJ/mol) (1-5)

d) CO + 3H
2
Ù CH
4
+ H
2
O
(-205,9 kJ/mol) (1-6)
Phản ứng (a), (b) là hai phản ứng chủ yếu trong quá trình hóa khí ga, hai phản ứng
này thu nhiệt. Phản ứng (c) mô tả trạng thái cân bằng nước-khí. Về lý thuyết, tỷ số giữa
sản phẩm tạo ra CO và nước với CO
2
và H
2
là không đổi, được gọi là hằng số trạng thái
cân bằng nước-khí (K
WE
= ) [1]. Trong thực tế thành phần khí ở trạng thái cân
bằng như vậy chỉ có thể đạt được trong điều kiện áp suất, tốc độ phản ứng, thời gian phản
ứng phù hợp.
Tốc độ phản ứng hóa khí ga giảm theo nhiệt độ phản ứng, đặc biệt khi nhiệt độ
phản ứng giảm xuống dưới 700
0
C. Hằng số trạng thái cân bằng nước-khí K
WE
thay đổi
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

9
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ

phế phẩm nông nghiệp
theo nhiệt độ phản ứng (bảng 3). Từ bảng này có thể thấy quá trình hóa khí ga xảy ra
trong vùng nhiệt độ phản ứng 700
0
C - 1000
0
C.



Nhiệt độ phản ứng, các quá trình phản ứng phụ thuộc vào lượng oxy/ không khí
tham gia. Tỷ lệ về khối lượng oxy trên khối lượng nhiên liệu sinh khối cho việc đốt cháy
hoàn toàn là 1,476 (đối với không khí tỉ số tương ứng này là 6,36). Hệ số quy đổi Ф, tỉ lệ
về khối lượng giữa lượng oxy/ không khí tham gia phản ứng trên lượng oxy/ không khí
cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu sinh khối, quy
ết định sản phẩm và nhiệt độ của
quá trình phản ứng (đồ thị 1) [2]. Với lượng oxy/ không khí đưa vào quá ít, quá trình
chuyển hóa khí ít xảy ra, ngược lại thừa oxy/không khí dẫn đến một phần khí bị đốt cháy,
thể hiện ở sự tăng nhiệt độ đột ngột. Quá trình hóa khí được thực hiện hiệu quả nhất ứng
với lượng oxy/ không khí ở hệ số quy đổi Ф= 0,25.
Nhiệt độ phản ứng
(
0
C)
K
WE

600 0,38
700 0,62
800 0,92

900 1,27
1000 1,60
Bảng 3: Hằng số trạng thái cân bằng nước-khí K
WE
theo nhiệt độ phản ứng [1]
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

10
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp

Đồ thị 1: Đồ thị nhiệt độ phản ứng theo hệ số quy đổi Ф đối với nhiên liệu
sinh khối. [2]
Trong thực tế, quá trình hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối đồng thời xảy ra 3 quá
trình phản ứng nhiệt-hóa học nêu trên. Quá trình nhiệt phân và hóa khí ga là những phản
ứng thu nhiệt. Do vậy, nhiên liệu sinh khối được đốt cháy một phần để cung cấp nhiệt
cho thực hiện quá trình nhiệt phân và hóa khí ga. Hiệu suất c
ủa quá trình hóa khí với mỗi
loại nhiên liệu sinh khối phụ thuộc vào tỉ lệ giữa lượng oxy tham gia phản ứng và lượng
nhiên liệu sinh khối, nhiệt độ, thời gian quá trình phản ứng. Điều khiển quá trình hóa khí
là việc điều khiển tốc độ cấp vật liệu, điều khiển lượng oxy/không khí phù hợp để đạt
được nhiệt độ phản ứng cần thiết tương
ứng với mỗi loại nhiên liệu sinh khối.
1.2 Những ưu điểm của việc sử dụng công nghệ hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối
Trong quá trình hóa khí ga, một phần năng lượng của nhiên liệu sinh khối (khoảng
8-10%) được sử dụng để thực hiện quá trình này. Như vậy hiệu suất của việc sử dụng
năng lượng nhiên liệu sinh khối thông qua hóa khí ga về lý thuyết thấp hơ
n so với đốt
trực tiếp. Tuy vậy, trong quá trình hóa khí một phần lớn tạp chất có trong nhiên liệu sinh
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

11
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
khối được loại bỏ giúp giảm được sự gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa việc sử dụng
nhiên liệu hóa khí này cho phép điều khiển quá trình cấp nhiệt trong sản xuất một cách
linh động hơn.

1.3 Những tính chất của nhiên liệu sinh khối ả
nh hưởng đến quá trình, thiết bị hóa
khí ga.
Nhiên liệu sinh khối phù hợp cho quá trình hóa khí ga như than gỗ, gỗ, phụ phế
phẩm lâm nghiệp (như cành, vỏ cây, vỏ bào, mùn cưa ), phụ phế phẩm nông nghiệp
(như trấu, rơm rạ, lõi ngô, vỏ cà phê, vỏ lạc ).
Các tính chất hóa lý, hình dạng của các nguồn nhiên liệu sinh khối khác nhau có
ảnh hưởng khác nhau đến công nghệ, quá trình hóa khí. Hiệu suất, tính ổn định của quá
trình hóa khí ga cũng như các thiết b
ị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối chịu ảnh hưởng
lớn từ các tính chất của nguồn nhiên liệu. Đối với mỗi loại nhiên liệu công nghệ, thiết bị
hóa khí phải được lựa chọn, thiết kế cho phù hợp.
Hiện chưa có thiết bị hóa khí đa năng để có khả năng hóa khí hiệu quả cho tất cả
các dạng nhiên liệu sinh khối. Mỗi thiết bị hóa khí được thiết kế để có thể hoạt động ổn
định, có hiệu suất, chất lượng khí ga tốt phù hợp với tính chất của nhiên liệu sinh khối.
Những tính chất quan trọng của nhiên liệu sinh khối cần được quan tâm:
a) Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối
Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối là lượng nước gắn kết có trong nhiên liệu.
Hàm ẩm của nhiên liệu sinh khối sử dụng trong quá trình hóa khí ảnh hưởng
nhiều đến hiệu suất sử dụng năng lượng. Theo bảng 5 có thể thấy chỉ có thể thu
được 50% năng lượng từ nhiên liệu có hàm ẩm 40%.
Khi lượng nước có trong nhiên liệu cao, trong quá trình hóa khí thành phần

nước này hóa hơi và thu nhiệt, dẫn đến làm giảm nhiệt độ phản ứng thậm chí
có thể làm ngừng quá trình hóa khí.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

12
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
Độ ẩm (wt %)
STT
Theo chất khô
(Dry basis)
Theo chất ướt
(Wet basis)
Khả năng thu
nhiệt
(Btu/lb)
Hiệu suất đốt
cháy
(%)
1 0,00 0,00 7097 82,5
2 4,76 4,54 7036 81,8
3 9,09 8,33 6975 81,1
4 13,04 11,54 6912 80,4
5 16,67 14,29 6853 79,7
6 20,00 16,67 6791 78,9
7 23,08 18,75 6730 78,3
8 28,57 22,22 6604 76,8
9 33,33 25,00 6482 75,4
10 42,86 30,00 6178 71,8
11 50,00 33,33 5868 68,2

12 60,00 37,50 5252 61,1
13 66,67 40,00 4639 53,9
14 71,43 41,76 4019 46,7
Nguồn: Reed 1981
Bảng 4: Hiệu suất sử dụng năng lượng từ nhiên liệu sinh khối theo hàm ẩm
của nhiên liệu. [2]
b) Kích thước, hình dạng và mật độ nhiên liệu
Kích thước, mật độ nhiên liệu ảnh hưởng đến tốc độ hóa khí. Nhiên liệu có
kích thước nhỏ có tốc độ hóa khí nhanh hơn. Tuy vậy, kích thước nhỏ của
nhiên liệu cũng là yếu tố cản trở dòng oxy/ không khí đưa vào phản ứng, làm
t
ăng trở lực trên thiết bị hóa khí.
Kích thước, hình dạng và mật độ nhiên liệu cũng là yếu tố cần quan tâm trong
việc thiết kế các thiết bị vận chuyển.
c) Lượng tạp chất hóa học, hàm lượng tro có trong nhiên liệu
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

13
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
Lượng tro cao trong nhiên liệu đòi hỏi việc tháo tro thường xuyên hơn trên
thiết bị hóa khí. Nghiêm trọng hơn khi tro từ phụ phế phẩm nông nghiệp như
rơm, trấu có chứa những tạp chất có thể dẫn đến việc hóa xỉ tro gây khó khăn
cho việc tháo tro ra khỏi thiết bị.
Một số tạp chất có trong nhiên liệu sinh khối như lưu huỳnh có thể tạo ra
những chất có khả năng oxy hóa thiết bị. Tính chất này cũng cần được quan
tâm trong việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị.
d) Thành phần dễ hóa hơi trong nhiên liệu sinh khối
Nhiên liệu sinh khối có đặc trưng chứa những thành phần dễ bay hơi. Trong
quá trình hóa khí ga, những thành phầ

n này tạo ra bồ hóng, hắc ín có thể gây
tắc thiết bị.
1.4 Công nghệ và thiết bị hóa khí ga từ nhiên liệu sinh khối
Dựa trên phương thức cấp nguyên/nhiên liệu và tác nhân hóa khí ga (không khí, hơi
nước, khí ôxy ) trên thiết bị hóa khí, công nghệ hóa khí từ vật liệu sinh khối có thể được
phân loại theo: hóa khí dòng cuốn (entrained flow), hóa khí tầng sôi (fluidized bed), hay
hóa khí sàn tĩnh (fix bed/ moving bed) (như trong Sơ đồ 1).
Trong công nghệ hóa khí dòng cuốn, dòng tác nhân hóa khí ở nhiệt độ cao được phun
vào buồng hóa khí kéo theo nhiên liệu. Công nghệ này
được chia làm hai loại, công nghệ
hóa khí dòng cuốn đồng trục và ngược dòng.
Ở công nghệ hóa khí tầng sôi, dòng tác nhân hóa khí đi ngược chiều với dòng cấp
nhiên liệu và với vận tốc lớn đủ làm cho lớp nhiên liệu sinh khối ở trạng thái sôi/ giả
lỏng, và dòng tác nhân hóa khí thường đi từ dưới lên. Với tốc độ cấp tác nhân hóa khí ga
khác nhau, công nghệ này được phân thành công nghệ hóa khí tầng sôi giả lỏng, hồi lưu
hay sàn kép.
Công nghệ hóa khí sàn tĩnh có tốc độ
tác nhân hóa khí thấp hơn so với ở công nghệ
hóa khí tầng sôi và được phân loại theo hướng dịch chuyển tương đối giữa tác nhân hóa
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

14
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
khí và nhiên liệu sinh khối. Theo đó công nghệ hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng (downdraft):
tác nhân hóa khí dịch chuyển cùng chiều với dòng dịch chuyển của nhiên liệu; công nghệ
hóa khí sàn tĩnh ngược dòng (updraft): tác nhân hóa khí dịch chuyển lên trên, ngược
chiều với dòng dịch chuyển của nhiên liệu; công nghệ hóa khí sàn tĩnh ngang dòng
(crossdraft): nhân hóa khí dịch chuyển cắt ngang với dòng dị
ch chuyển của nhiên liệu.

Các thiết bị hóa khí dựa trên 3 nguyên lý cơ bản hóa khí sàn tĩnh, hóa khí tầng sôi,
hóa khí dòng cuốn được so sánh trong bảng 5 và sơ đồ 2. Mỗi công nghệ hóa khí phù hợp
với dải công suất tương ứng của thiết bị. Có thể nhận thấy các thiết bị hóa khí theo
nguyên lý tầng sôi, hóa khí dòng cuốn phù hợp với những ứng dụng ở dải công suất lớn
(Từ 5 MW trở lên) do chi phí đầu tư cho nhữ
ng thiết bị này rất cao. Nhiên liệu phù hợp
cho những thiết bị này có kích thước từ nhỏ cho đến mịn.
Với ứng dụng có công suất nhỏ hơn 10 MW các thiết bị hóa khí theo nguyên lý sàn
tĩnh phù hợp hơn. Các thiết bị này phù hợp với nhiên liệu sinh khối có kích thước lớn 2-
50 mm.
CÔNG NGHỆ HÓA KHÍ
HÓA KHÍ DÒNG CUỐN
(ENTRAINED FLOW)
HÓA KHÍ TẦNG SÔI
(FLUIDIZED BED)
HÓA KHÍ SÀN TĨNH
(FIXED /MOVING BED)
Đồng trục
(coaxial)
Ngược dòng
(Oppsed jet)

Sủi khí, sôi giả lỏng
(Bubbling)
Hồi lưu
(
Circulatin
g)

Sàn kép
(
Twin bed
)

Xuôi dòng
(
D
o
w
n
d
r
a
f
t)

Ngược dòng
(Upd
r
a
f
t)

Ngang dòng
(Cr
ossdraft)

Sơ Đồ 1: Sơ đồ phân loại công nghệ hóa khí từ nguyên/ nhiên liệu sinh khối

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

15
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp



Thông số so sánh
Thiết bị hóa khí
sàn tĩnh
Thiết bị hóa khí
tầng sôi
Thiết bị hóa khí
dòng cuốn
Kích thước nhiên liệu <51 mm <6 mm <0.15 mm
Khả năng thích ứng với
nhiên liệu dạng mịn
Có giới hạn Tốt Rất tốt
Khả năng thích ứng với
nhiên liệu dạng thô
Rất tốt Tốt Kém
Nhiệt độ khí ga ra khỏi
thiết bị
450–650 °C 800–1000 °C >1260 °C
Nhu cầu chất oxy hóa Thấp Trung bình cao
Nhiệt độ vùng phản
ứng
1090 °C 800–1000 °C 1990 °C
Nhu cầu hơi nước Cao Trung bình Thấp

Trạng thái tro Khô Khô Tạo xỉ
Hiệu suất khí ga
(nguội)
80% 89% 80%
Phạm vi ứng dụng
Công suất nhỏ
(10 kW - 10 MW)
Công suất trung bình
(5 MW - 100 MW)
Công suất lớn
( >50 MW)


Sơ Đồ 2: Vùng ứng dụng công nghệ, thiết bị hóa khí từ vật liệu sinh khối theo
công suất của thiết bị hóa khí [3]
Xét đến khả năng ứng dụng công nghệ hóa khí trên các thiết bị có công suất lớn đến
hàng chục MW trong tương lai gần là khó khả thi, nhóm thực hiện đề tài sẽ chỉ tập trung
Bảng 5: Bảng so sánh một số thông số giữa các thiết bị hóa khí [3]
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

16
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
nghiên cứu thiết bị có công suất nhỏ với ứng dụng cho nguồn nhiên liệu sinh khối từ phụ
phế phẩm nông lâm nghiệp. Cụ thể là thiết bị hóa khí theo công nghệ sàn tĩnh.
Như đã đề cập thiết bị hóa khí ga theo công nghệ sàn tĩnh, thiết bị hóa khí
được phân
loại dựa theo sự chuyển động tương đối giữa dòng nhiên liệu sinh khối và dòng tác nhân
hóa khí (không khí). Sơ đồ 3, 4 mô tả thiết bị hóa khí ngược dòng (updraft gasifier) và
thiết bị hóa khí xuôi dòng (downdraft gasifier).

Sơ Đồ 3:Sơ đồ nguyên lý hóa khí ngược dòng (updraft) [3] Sơ Đồ 4: Sơ đồ nguyên lý hóa khí xuôi dòng (downdraft) [3]
Những đặc điểm của các thiết bị hóa khí này được so sánh trong bảng 6. Thông qua
kết quả so sánh có thể thấy thiết bị hóa khí ngược dòng có hiệu suất khí ga (nóng) cao
(90-95%). Thiết bị cho phép thực hiện hóa khí với những nhiên liệu có độ ẩm cao (đến
60%) và có kích thước trong dải rộng (5-100 mm). Tuy vậy, lượng hắc ín có trong khí ga
cao (30-150 g/Nm
3
), nhiều gấp 50 lần so với việc hóa khí ga trên thiết bị hóa khí xuôi
dòng.
Hàm lượng hắc ín có trong khí ga cao làm giảm khả năng sử dụng khí ga thu được từ
thiết bị hóa khí ngược dòng. Để sử dụng được khí ga này cần thiết có các thiết bị lọc
phức tạp tương ứng, do vậy chi phí cho đầu tư thiết bị và vận hành thiết bị sẽ tăng lên
nhiều.
Nhiên liệu (Gỗ)
Hóa khí ngược
dòng
Hóa khí xuôi
dòng
Hóa khí ngang
dòng
Độ ẩm (%) 60 max 25 max 10–20
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

17
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
Tro khô (%) 25 max 6 max 0.5–1.0
Nhiệt độ nóng chảy của tro (°C) >1000 >1250

Kích thước nhiên liệu(mm) 5–100 20–100 5–20
Phạm vi ứng dụng (MW) 2–30 1–2
Nhiệt độ khí ga ra (°C) 200–400 700 1250
Hắc ín (g/Nm
3
) 30–150 0.015–3.0 0.01–0.1
Ga LHV (MJ/Nm
3
) 5–6 4.5–5.0 4.0–4.5
Hiệu suất khí ga nóng (%) 90–95 85–90 75–90
Source: Adapted from Knoef, 2005, p. 26.

Bảng 6: Bảng so sánh đặc điểm của các thiết bị hóa khí sàn tĩnh (fixed/
moving bed) [3]
Trên thiết bị hóa khí từ nhiên liệu sinh khối theo công nghệ hóa khí sàn tĩnh xuôi
dòng (Fixed/moving bed - downdraft), một phần lớn hắc ín (tar) sinh ra trong quá trình
hóa khí được đốt cháy sinh năng lượng tại khoang đốt (combustion), do đó lượng khí ga
thu được sau khi hóa khí trên thiết bị này có hàm lượng hắc ín thấp hơn nhiều (từ 10 đến
50 lần [3]) so với trên thiết bị hóa khí theo công nghệ hóa khí sàn tĩnh ngược dòng
(updraft). Do vậy thiế
t bị tỏ ra phù hợp với các nhiên liệu là phụ phế phẩm nông nghiệp,
nhiên liệu mà trong đó chứa nhiều hợp chất dễ bay hơi, nguồn gốc của hắc ín.
Dựa trên phân tích như trên, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn nghiên cứu thiết kế thiết
bị hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng trong hóa khí ga các phụ phế phẩm nông nghiệp.

2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÓA KHÍ LIÊN TỤC CÔNG SUẤT
10.000 KCAL/H
2.1 Lựa chọn kiểu thiết bị hóa khí ga từ phụ phế phẩm nông nghiệp phù hợp với
khả năng ứng dụng trong nước
Ở trong nước, nguồn phụ phế phẩm nông nghiệp có thể kể đến như vỏ trấu, rơm,

lõi ngô, vỏ cà phê, vỏ bào, mạt cưa… Những nhiên liệu này có đặc tính chung là có khối
lượng riêng chất đống thấp, việc sử dụng nguồn nguyên liệ
u này để cung cấp nhiệt, thông
qua quá trình hóa khí ga, cho quá trình chế biến ngay tại địa phương hay chính tại cơ sở
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

18
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
sản xuất sẽ cho hiệu quả cao nhất do có thể giảm thiểu được chi phí vận chuyển. Một yếu
tố khác khá quan trọng trong việc lựa chọn, ứng dụng thiết bị hóa khí đó là thiết bị có
khả năng hóa khí từ các nhiên liệu phụ phế ph
ẩm nông nghiệp tương đối khác nhau về
chủng loại, kích thước, độ ẩm nhiên liệu.
Thiết bị hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng thông dụng, được biết đến như
thiết bị hóa khí kiểu Imbert (Sơ đồ 5). Thiết bị hóa khí kiểu này có thiết kế hình trụ, trong
đó có đoạn được thắt lại rồi mở rộng. Không khí được đưa vào thông qua các đầu phun.
Nhiên liệu sinh khối được đưa vào từ trên và đi d
ần xuống phía dưới. Khí ga sinh ra cùng
hắc ín và phần đã được than hóa đi qua phần thắt lại của thiết bị. Tại đây, dưới nhiệt độ
cao hắc ín bị nhiệt phân nhờ vậy khí ga được làm sạch.


Sơ Đồ 5: Thiết bị hóa khí kiểu Imbert [3]
Thiết bị kiểu này bị hạn chế về công suất hóa khí bởi với kích thước lớn khó đảm
bảo được sự phân bố nhiệt đồng đều tại họng thắt.
Cũng trên nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng, thiết bị có thể được thiết kế không có
họng thắt hay thiết bị hóa khí phân tầng (như sơ đồ 6). Thiết bị hình trụ và không có họ
ng
thắt tránh sự cản trở đường đi của nhiên liệu và tránh được hiện tượng tạo vòm tại miếng

thắt.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

19
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp

Sơ Đồ 6: Thiết bị hóa khí không có họng thắt [3]
Thiết bị kiểu này có thiết kế đơn giản và có khả năng phù hợp với nhiên liệu có
kích thước nhỏ như trấu.
Như đã nêu ở phần trên, thiết bị hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng thông
dụng cho ra sản phẩm khí ga sạch, phù hợp với yêu cầu ứng dụng của các cơ sở sản xuất,
chế biến. Tuy vậy, thiết b
ị theo nguyên lý này đòi hỏi nguồn nhiên liệu có độ ẩm thấp
(không vượt quá 25%), kích thước nguyên liệu không quá nhỏ (từ 20 - 100 mm) và có
hàm lượng tro thấp (dưới 6%), điều kiện khó đạt được khi sử dụng trực tiếp những phụ
phế phẩm nông nghiệp sẵn có.
Một số thiết bị hóa khí được thiết kế với sự kết hợp giữa các kiểu thiết bị, công
nghệ giúp tăng hi
ệu suất và khả năng ứng dụng của thiết bị. Trong những ứng dụng hóa
khí nhiên liệu mà ở đó sử dụng trực tiếp năng lượng nhiệt sinh ra từ quá trình hóa khí
(như trong ứng dụng sử dụng sấy nông sản, đốt trực tiếp, cấp nhiệt cho lò hơi…) thiết bị
hóa khí/ đốt cháy hai cấp thường hay được sử dụng. Trên các thiết bị này nhiên liệu sinh
khối đượ
c hóa khí ga (sơ cấp) sau đó khí ga sinh ra được đốt trực tiếp (thứ cấp) để thu
năng lượng. Tại quá trình đốt thứ cấp nhiệt độ tại buồng/miệng đốt được điều chỉnh để
đạt trên 1000
o
C nhằm nhiệt phân/ đốt cháy phần lớn lượng hắc ín sinh ra trong quá trình

hóa khí sơ cấp.
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

20
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
Nguyên lý hóa khí sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược (reverse fixed-bed downdraft )
hai cấp được ứng dụng trong các lò hóa khí/ đốt tại Ấn độ (sơ đồ 7), nhiên liệu trước tiên
được hóa khí ga sau đó khí ga này được đốt thứ cấp để sinh nhiệt cho các mục đích sử
dụng khác nhau. Trên thiết bị này, nhiên liệu được cấp theo từng mẻ đốt. Nhiên liệu sinh
khối được đốt từ phía trên, cháy dần xuống phía dưới và hóa khí ga nhờ nguồn khí sơ
cấp. Khí ga sinh ra trong quá trình này được đốt cháy nhờ nguồn cấp khí thứ cấp. Những
lò hóa khí hai cấp này có hiệu suất cao hơn các lò đốt thông dụng và tương đối sạch do
các vật chất bay hơi (hắc ín) được đốt cháy phần lớn tại quá trình đốt thứ cấp. Những lò
hóa khí này được ứng dụ
ng rộng rãi trong các hộ gia đình tại Ấn độ.
Trong thời gian gần đây, các nhà phát triển ứng dụng tại các nước tiên tiến đang
tìm cách đưa ứng dụng lò đốt kiểu này vào sử dụng ở quy mô công nghiệp. Ở quy mô
công nghiệp, để đảm bảo tính liên tục, nguyên liệu sinh khối được cấp liên tục, tro/ xỉ
cũng được định kỳ tháo ra khỏi thiết bị. Một khác biệt trong kiểu lò đốt này ở quy mô
công nghiệp so với các kiểu thiết bị hóa khí khác là nhiên liệu được xếp một lớp khá dày
trên bề mặt ghi lò, bề dày lớp nhiên liệu được hóa khí trên thiết bị cũng dày hơn, nhiệt độ
hóa khí cao tạo ra sự ổn định cao của quá trình hóa khí. Bề dày lớp nhiên liệu hóa khí cao
cũng đồng nghĩa với việc thời gian hóa khí đối với nhiên liệu được kéo dài, một trong
những yếu tố đưa đến vi
ệc nâng cao hiệu quả của quá trình hóa khí. Khí ga sau khi được
hóa khí được lưu giữ trong buồng hóa khí trong thời gian dài hơn giúp chất lượng cũng
như hiệu quả của quá trình hóa khí được nâng cao. Công ty IQR của Thụy Điển đã công
bố thành công ứng dụng lò đốt/hóa khí kiểu này ở quy mô công nghiệp với công suất 2
đến 25 MW nhiệt.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

21
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp

Sơ Đồ 7: Sơ đồ nguyên lý lò đốt hai cấp [4]
Những lò hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược kể trên có nhiều ưu
điểm nổi trội so với các kiểu thiết bị khác như:
- Thiết bị có kết cấu đơn giản;
- Hiệu suất thu nhiệt trên thiết bị cao;
- Thiết bị cho phép sử dụng đa dạng các loại nhiên liệu sinh khối có kích thước
không
đồng đều cho việc hóa khí;
- Thiết bị có khả năng hóa khí ngay cả khi vật liệu sinh khối có chứa hàm ẩm
cao (đến 50%);
- Khí ga sau quá trình hóa khí đạt độ sạch cao;
- Thiết bị cho phép điều chỉnh công suất hóa khí trong dải rộng thông qua điều
chỉnh nguồn cấp khí sơ cấp;
- Do nhiên liệu sinh khối được đốt ngược từ trên xuống dưới, nguồn khí sơ cấp
đ
i từ dưới lên, ghi lò được bảo vệ tránh tiếp xúc với nhiệt độ cao, do vậy độ
bền của ghi lò tăng lên nhiều, một trong những vấn đề hay gặp tại các lò đốt/
hóa khí thông dụng.
Tuy có nhiều ưu điểm như vậy, nhưng để lò hóa khí kiểu này được ứng dụng ở
quy mô công nghiệp cần có những giải pháp kỹ thuật liên quan để đảm bảo quá trình hoạt
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

22
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ

phế phẩm nông nghiệp
động của thiết bị được liên tục, ổn định theo yêu cầu cấp nhiệt trong sử dụng. Có thể kể
đến như:
- Việc cấp nhiên liệu sinh khối để đảm bảo bề dày lớp vật liệu trên ghi lò được ổn
định;
- Việc cấp khí s
ơ cấp để đảm bảo nhiệt độ công nghệ phù hợp cho quá trình hóa
khí; việc cấp khí thứ cấp để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn lượng khí ga cũng như hắc ín
sinh ra trong quá trình hóa khí sơ cấp;
- Việc tháo xỉ phù hợp để đảm bảo quá trình hóa khí được triệt để, cho hiệu suất
hóa khí cao trên thiết bị.
Tại Việt Nam, hiện cũng có nhiều cơ quan đang tiến hành nghiên cứu những thiết
bị
hóa khí từ nhiên liệu sinh khối nhằm đưa vào ứng dụng như Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Viện năng lượng. Một số cơ sở nghiên cứu tư nhân cũng tiến hành nhập một số thiết
bị hóa khí từ Trung Quốc, Ấn Độ để đưa vào ứng dụng và nhân rộng. Tuy vậy, chưa có
thiết bị nào được đưa ra tại Việt Nam theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược kể
trên ở quy mô công nghiệp.
Qua những phân tích trên, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn kiểu thiết bị theo
nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược cho nội dung thực hiện. Thiết bị được thiết kế
chế tạo thử nghiệm sẽ là thiết bị hóa khí liên tục hai cấp, theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi
dòng đốt ngược.
2.2 Thiết kế thiết bị hóa khí liên tục
Như đã nêu ở trên thiết bị hóa khí liên tục
được thiết kế theo nguyên lý sàn tĩnh
xuôi dòng đốt ngược. Thiết bị hóa khí này bao gồm các bộ phận thực hiện chức năng
công nghệ như trên sơ đồ 8. Nhiên liệu được cấp vào buồng hóa khí. Tại đây nhiên liệu
được hóa khí sơ cấp bởi nhiệt. Khí ga được hóa khí sơ cấp được làm sạch thông qua quá
trình đốt thứ cấp. Tro/xỉ sinh ra trong quá trình hóa khí sơ cấp được tháo ra khỏi buồng
hóa khí.

Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

23
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp




Tương ứng với các chức năng công nghệ, các cụm thiết bị (Sơ đồ 9) bao gồm: bộ
phận cấp liệu, vít cấp liệu; Buồng hóa khí sơ cấp; Bộ phận đốt làm sạch khí thứ cấp; Bộ
phận tháo tro, xỉ.

Sơ Đồ 9: Sơ đồ nguyên lý thiết bị hóa khí liên tục
1. Quạt cấp khí sơ cấp 5. Bộ phận tháo tro/ xỉ
2. Quạt cấp khí thứ cấp 6. Bộ phận cấp nhiên liệu
3. Bộ phận làm sạch khí ga 7. Phễu cấp nhiên liệu
Sơ Đồ 8: Sơ đồ công nghệ trên thiết bị hóa khí liên tục
Cấp liệu Hóa khí sơ cấp
Làm sạch khí
(Đốt thứ cấp)
Tháo tro/ xỉ
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

24
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
4. Buồng hóa khí (sơ cấp)
Nhiên liệu, phụ phế phẩm nông nghiệp, được cấp vào phễu cấp nhiên liệu (7). Bộ
phận cấp nhiên liệu (7) cấp nhiên liệu vào buồng hóa khí (4) với một lớp tương đối dày.

Nguồn khí sơ cấp được cấp vào buồng hóa khí thông qua quạt cấp khí sơ cấp (1). Nhiên
liệu được hóa khí trong buồng hóa khí trong một thời gian đủ dài, đi ra khỏi buồng hóa
khí và đi qua bộ phận làm sạch khí ga (3). Quạt khí thứ cấp (2) cung cấp nguồn khí thứ
cấp làm sạch khí ga thông qua quá trình đốt cháy triệt để khí ga tại bộ phận làm sạch khí.
Khí ga được làm sạch, đốt cháy triệt để có thể dùng làm nguồn cung cấp nhiệt cho các
ứng dụng như trên thiết bị sấy, sưởi ấm, nồi hơi …
Theo nguyên lý nêu trên, nhóm thực hiện đề tài tiến hành thiết kế, xác định các
thông số của thiết bị hóa khí liên tục dựa trên tham khảo các thông số th
ực nghiệm của
các nghiên cứu đã được công bố.
Theo nhiệm vụ đã đăng ký, thiết bị hóa khí liên tục có công suất 10.000 Kcal/h.
Nhiệt lượng của mỗi Nm
3
khí ga từ nhiên liệu sinh khối vào khoảng 1050-1100
Kcal/Nm
3
[2], nên thiết bị hóa khí tương ứng cần tạo ra lượng khí khoảng 10 Nm
3
/h.
Lượng khí ga sinh ra từ quá trình hóa khí nhiên liệu sinh khối khoảng 2 Nm
3
/kg [2]. Như
vậy, thiết bị hóa khí có công suất 10.000 Kcal/h sẽ có khả năng hóa khí một lượng nhiên
liệu sinh khối tương đương khoảng 5-6 kg/h.
Thiết bị theo nhiệm vụ đề ra với công suất hóa khí 10.000 Kcal/h nếu được thiết
kế theo nguyên lý lựa chọn, nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược sẽ có kích thước
thiết bị rất nhỏ và sẽ không thể hiện được hết đặc tính của thiết bị phù hợ
p với ứng dụng
ở quy mô công nghiệp. Để có được thiết bị có khả năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp,
nhóm thực hiện đề tài nhận thấy cần thiết phải thiết kế và thử nghiệm với thiết bị có công

suất lớn hơn, kích thước lớn hơn, phù hợp với việc thiết kế nâng công suất của thiết bị
đáp ứng nhu cầu sử dụng trong công nghiệp.
Công suất hóa khí của thiết bị phụ thuộc vào lưu lượng tác nhân hóa khí/ không
khí hay thiết diện của buồng hóa khí. Để phù hợp cho việc đồng dạng hóa thiết kế thiết bị
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

25
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
hóa khí theo nguyên lý sàn tĩnh xuôi dòng đốt ngược theo các dải công suất khác nhau,
nhóm thực hiện đề tài lựa chọn modul hóa thiết bị theo thiết diện buồng hóa khí. Theo đó,
thiết bị được modul hóa sẽ có hệ số công suất hóa khí bằng 1, các thiết bị có công suất
hóa khí lớn hơn bao nhiêu lần sẽ cần có thiết diện buồng hóa khí tương ứng theo hệ số
công suất hóa khí. Để có thể modul hóa thiết bị hóa khí, nhóm đề tài chọn modul buồng
hóa khí có thiết diện buồng S ~ 0,5m
2
, kích thước các chiều tương ứng 600 x 800 (mm).
Công suất hóa khí và lưu lượng quạt cần thiết cho cấp khí sơ cấp của modul 0,5 m
2

có thể tính sơ bộ dựa theo các kết quả nghiên cứu thực nghiệm như sau:
Theo kết quả nghiên cứu của
S Varunkumar đã được công bố, vận tốc không khí
tham gia vào quá trình hóa khí sơ cấp (V
s
) nằm trong khoảng 3-5 cm/s đối với lò đốt gia
đình và từ 15-30 cm/s đối với lò hóa khí trong công nghiệp [4]. Lượng khí sơ cấp (V
sc
)
tham gia quá trình hóa khí cần thiết với buồng hóa khí 0,5 m

2
có thể tạm tính theo công
thức:
V
sc
(m
3
/s)

= V
s
(m/s)

x 0,5 (m
2
). (2-1)
Theo đó, lượng không khí cần thiết cho quá trình hóa khí sơ cấp nằm trong khoảng
0,015 - 0,15 (m
3
/s) hay 54 - 540 (m
3
/h).
S. Dasappa và P. J. Paul chỉ ra
trong nghiên cứu thực nghiệm rằng: để lượng
không khí tham gia quá trình hóa khí ổn định, lượng không khí này nằm trong khoảng
0,05 - 0,15 kg/m
2
s và hiệu quả nhất ở lưu lượng 0,1 kg/m
2
s [5]. Theo đó, đối với modul

hóa khí có thiết diện buồng hóa khí 0,5m
2
, lưu lượng không khí cần thiết cấp cho quá
trình hóa khí sơ cấp tương ứng từ 0,025 - 0,075 kg/s (90 -270 kg/h) hay tương đương
0,025 - 0,075 m
3
/s (90 - 270 m
3
/h).
Với tỷ lệ thông thường về khối lượng giữa không khí và nhiên liệu sinh khối là
1,5 [4], modul thiết bị hóa khí với thiết diện buồng hóa khí 0,5 m
2
có khả năng hóa khí
một lượng nhiên liệu sinh khối khoảng:
* (90 ÷ 270 kg không khí): 1,5 = 60 ÷ 180 kg/h (tính theo S. Dasappa và P. J.
Paul).
Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp – RIAM

26
Đề tài A-2012 - Nghiên cứu công thiết kế chế tạo thiết bị hóa khí liên tục từ phụ
phế phẩm nông nghiệp
* (54 ÷ 540 kg không khí): 1,5 = 36 ÷ 360 kg/h (tính theo
S Varunkumar)
Như vậy, về lý thuyết modul thiết bị hóa khí liên tục với thiết diện buồng hóa
khí 0,5 m
2
có công suất hóa khí theo nhiên liệu khoảng 36 đến 180 kg/h. Lưu lượng
khí sơ cấp cần thiết cho quá trình hóa khí sơ cấp từ 54 đến 270 m
3
/h.

Thông số tiếp theo cần xác định cho modul buồng hóa khí là chiều cao của buồng.
Theo Patent US20090301364, thời gian cần thiết cho việc hóa khí hiệu quả nên lớn hơn
10 phút. Theo nghiên cứu đã được công bố, đối với than củi quá trình sụt giảm chiều cao
lớp vật liệu trong quá trình hóa khí là 0,3 mm/s hay 18 mm/phút [5]. Như vậy đối với
than củi chiều cao lớp vật liệu để đảm bảo hiệu suất thiết bị và hạn chế
sự cháy tại bề mặt
gi, chiều cao lớp than củi cần lớn hơn 18 (mm) x 10 = 180 mm. Để phù hợp với các nhiên
liệu sinh khối có hàm lượng tro cao như trấu, chiều cao này cần được tăng thêm. Thêm
vào nữa, chiều cao buồng hóa khí còn cần khoảng không cần thiết cho việc hóa khí tiếp
tục các thành phần dễ bay hơi trong nhiên liệu sinh khối. Dựa trên phân tích này nhóm
thực hiện đề tài chọn kích thước chiều cao buồng hóa khí là 900 mm cho modul hóa khí
với thiết di
ện buồng hóa khí 0,5m
2
.
Như vậy, thiết bị hóa khí liên tục sẽ được chế tạo có kích thước buồng hóa khí
600x800x900 mm (dài x rộng x cao). Các thiết bị cấp nhiên liệu sinh khối và tháo tro, xỉ
có công suất 36 - 180 kg/h. Quạt sơ cấp cung cấp lượng khí cấp cho quá trình hóa khí sơ
cấp tương ứng 54 - 270 m
3
/h.
2.3 Chế tạo thiết bị hóa khí liên tục.
Dựa trên lựa chọn thiết kế cho thiết bị đã nêu ở trên, nhóm thực hiện đề tài đã chế
tạo được thiết bị hóa khí và tiến hành khảo nghiệm. Bên dưới đây là một số hình ảnh thiết
bị đã được chế tạo.
Để phục vụ nghiên cứu, vật liệu được sử dụng cho chế t
ạo thiết bị là thép không
gỉ. Ở quy mô lớn hơn, hay trong ứng dụng vào cơ sở sản xuất, thiết bị có thể được chế tạo
như các lò xây chịu nhiệt để giảm giá thành sản xuất cũng như tăng độ bền.